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Informationen über den aktuellen und zukünftigen Zustand der Grundwasserressourcen sind von entscheidender Bedeutung für ein effizientes Grundwassermanagement. Diese Informationen können über interaktive Online-Plattformen bereitgestellt werden, die für jeden mit Internetzugang abrufbar sind. In der Schweiz hat das vermehrte Auftreten von Grundwasserdürren und Hochwasserereignissen aufgrund von sich verändernden klimatischen Bedingungen das Interesse an aktuellen Grundwasserdaten, sowie an der Vorhersage des Grundwasserspiegels in naher Zukunft (von Wochen bis Monaten) stark zugenommen. An der Eawag arbeiten wir an einem Prototyp eines Grundwasserinformationsportals für die Schweiz, um diese Informationen darzustellen und der Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Dieses interaktive Portal basiert auf Daten, die durch die Modellierung von beobachteten Grundwasserdaten mithilfe von Lumped-Parameter-Modellen und der Open-Source-Software Pastas gewonnen wurden. Die Charakterisierung von Messbrunnen erfolgt auf innovative Weise anhand von Grundwassersignaturen. Informationen zum Zustand des Grundwassers stehen durch Vorhersagen zur Verfügung, die dieselben Lumped-Parameter-Modelle und meteorologische Vorhersagen verwenden. In dieser Präsentation werden wir den ersten Prototyp dieses Portals vorstellen und den Schwerpunkt auf die Entwicklung des Grundwasservorhersagemoduls legen. Die Idee der Prototypentwicklung besteht darin, aktuelle wissenschaftliche Erkenntnisse in die Praxis zu bringen und mithilfe des Portals Potenziale und Forschungslücken zu identifizieren.

Lithiumbergbaubetriebe, die Lithium direkt aus Solen gewinnen, verwenden häufig Grundwassermodelle wie FEFLOW oder MODFLOW für ihre Ressourcenabschätzung, insbesondere da die Menge des extrahierbaren Lithiums (oder LCE) davon abhängt, wie viel Wasser durch Pumpbrunnen entnommen werden kann. Gleichzeitig müssen die Umweltauswirkungen des Pumpens (z. B. Absenkung) und in einigen Fällen der Injektion (z. B. Verdünnung) ebenfalls mit Hilfe von Grundwassermodellen bewertet werden.

Um die Grundwassermodelle für den Bergbaubetrieb effektiv nutzen zu können, sollten sie direkt mit Messdaten wie Wasserstandsdaten, Pumpraten und Lithiumkonzentrationen verbunden sein, um die Messdaten ständig mit den Vorhersagemodellen abzugleichen. Darüber hinaus sollte das Grundwassermodell keine "Black Box" sein, die nur von Fachleuten genutzt werden kann, sondern interaktiv und für die Minenbetreiber zugänglich sein, damit sie verschiedene Minenplanszenarien selbst durchführen und analysieren können.

Daher wurde eine interaktive webbasierte Plattform auf der Grundlage von FEFLOW und MIKE Operations entwickelt. Mit der Plattform kann der Benutzer auf einfache Weise neue Grundwassermodellszenarien erstellen, indem er die Pumpraten ändert oder zusätzliche Pumpbrunnen hinzufügt, ohne die Benutzeroberfläche der Software öffnen zu müssen. Das Modell wird dann automatisch in der Cloud ausgeführt und die Ergebnisse werden in einer interaktiven Kartenansicht und einem Dashboard angezeigt. Gleichzeitig enthält das System alle relevanten Überwachungs- und Betriebsdaten, um die Modelldaten leicht mit den Überwachungsdaten vergleichen zu können.

Auf diese Weise verfügt der Betreiber eines Lithiumbergwerks über die notwendigen Werkzeuge und Daten an einem Ort, um effektive Entscheidungen zu treffen.

Die Digitalisierung bietet ein großes Potenzial, die Effizienz und Qualität von geotechnischen und wasserwirtschaftlichen Planungen deutlich zu steigern. In herkömmlichen BIM-Prozessen (Building Information Modeling) werden grundwasserrelevante Informationen kaum berücksichtigt, obwohl das Grundwasser / die Hydrogeologie bei Bautätigkeiten im Untergrund eine sehr wichtige Rolle spielen kann. In der Praxis werden häufig numerische Grundwassermodelle zur Simulation und Prognose von Strömung, Stoff- und Wärmetransport im Untergrund eingesetzt. Diese Modelle können in den BIM-Prozess integriert werden, um die optimale Parametrisierung des Bauvorhabens unter Berücksichtigung der Veränderung der hydrogeologischen Strukturen und Bedingungen während der Bauphase dynamisch abzuschätzen. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zum vollautomatischen Preprocessing von FEFLOW-Grundwassermodellen und deren Integration in den BIM-Prozess zu leisten. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung eines allgemeinen Workflows für die Simulation von Energiegeostrukturen (EGS) im grundwassergesättigten Untergrund. Unsere aktuelle Arbeit fokussierte sich auf die Entwicklung einer API in der Programmiersprache Python zur Automatisierung der Diskretisierung des Modellgebietes aus Revit-Daten und der Auswertung von FEFLOW-Grundwasser­simulationen. Die technische Implementierung wurde im Rahmen einer Fallstudie getestet, in der ein konzeptionelles Wärmetransportmodell für EGS entwickelt wurde. Für die Verbindung zwischen BIM und FEFLOW wurden verschiedene Python-Pakete und eine Kommandozeilenschnittstelle entwickelt. Das Modell wurde an einem TRT kalibriert und prognostizierte die Zustandsänderung des simulierten geothermischen Systems für die nächsten 25 Jahre. Die aktuelle Entwicklung trägt dazu bei, die numerischen Grundwassermodelle mit geotechnischen Planungswerkzeugen zu integrieren und deren Preprocessing zu automatisieren. Damit wird die Anwendung der verschiedenen Planungswerkzeuge für die geothermische Nutzung unter Berücksichtigung des Grundwassers und der Hydrogeologie wesentlich vereinfacht.

Grundwasser stellt mehr als 97% der weltweit verfügbaren Süßwasserressourcen dar. Grundwasser befindet sich in geologischen Strukturen im Untergrund und ist daher üblicherweise nicht sichtbar und schwer zu bewirtschaften. Folglich entzieht es sich häufig der Aufmerksamkeit der breiten Öffentlichkeit und wird meist in der Ausbildung nicht umfassend berücksichtigt. Die Ausbildung im Bereich Hydrogeologie und Grundwasserbewirtschaftung an Universitäten sowie im Rahmen der beruflichen Weiterbildung von Fachleute sind jedoch entscheidend, um den aktuellen und zukünftigen Herausforderungen zu begegnen. Aus diesem Grund ist es wichtig, geeignetes Lehrmaterial zu verwenden, um das Verständnis des komplexen Themas Grundwasser bei diesen Zielgruppen zu verbessern. Das laufende Erasmus+ Kooperationsprojekt iNUX (interactive understanding of groundwater hydrology and hydrogeology, www.gw-inux.org) zielt darauf ab, den Bedarf an digitalen Lehrmaterialien zu decken. Dazu wird eine interaktive und digitale Lernumgebung im Bereich Hydrogeologie und Grundwassermanagement angestrebt, die auf eine europäische und globale Zielgruppe von Lehrenden und Studierenden ausgerichtet ist.

Aufbauende auf dem vorhandenen Lehrportfolio etablierter europäischen Universitäten im Bereich Hydrogeologie und Grundwasserbewirtschaftung wird interaktives und digitales Lehrmaterial entwickelt, dass sowohl grundlegende als auch angewandte Themen umfasst. Die Lehrmaterialien decken die theoretischen Inhalte in Kombination mit Feld- und Laboranwendungen in verschiedenen europäischen Umgebungen ab (Skandinavien, Mitteleuropa sowie den alpinen und mediterranen Bereich). Das Lehrmaterial umfasst dabei (1) verschiedene Arten von Videos (z. B. Feldexperimente, Laborexperimente, Screencasts zu verschiedenen Handrechnungen als auch zur Anwendung von Fachsoftware), (2) interaktive Jupyter-Notebooks, die didaktisch aufbereitete Erklärungen mit Programm-Code kombinieren (z. B. basierend auf der Programmiersprache Python) und (3) einen Pool von digitalen Fragen und Aufgabenstellungen für verschiedene Arten von Assessments, um u. a. das selbstgesteuerte Lernen der Studierenden zu fördern. Alle Materialien sind Open-Source konzipiert und frei verfügbar. Die Aktivitäten von iNUX umfassen ebenso Initiativen zur Bildung von kooperativen Interessen- bzw. Arbeitsgruppen, um die jeweiligen Aktivitäten zu bündeln (z. B. Aufbau und Management von Fragenpools, Sammlungen von interaktiven Dokumenten, Videos, und Datensätzen von Labor- und Feldexperimenten). Die Präsentation gibt einen Überblick zu den jeweiligen digitalen Lehrmaterialien sowie zeigt das Kooperationspotential auf; darüber hinaus werden praktische Erfahrungen und erste Ergebnisse von Evaluierungen geteilt.

Grundwasser befindet sich in geologischen Strukturen im Untergrund und ist daher oft nicht sichtbar, schwer zu charakterisieren und zu bewirtschaften, wodurch die Wahrnehmung und das Verständnis dieses komplexen Themas oft unzureichend sind. Daher ist es von großer Bedeutung, passende Informations- und Lehrmaterialien zur Verfügung zu stellen, um das Verständnis von Grundwasser zu verbessern.

Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung stellt die Entwicklung innovativer Werkzeuge und Ansätze daher ein übergeordnetes Ziel dar, um das Verständnis über die Hydrogeologie und das Grundwassermanagement bei einer breiten Zielgruppe zu verbessern und zu verstärken. Insbesondere die Implementierung innovativer Ansätze in Forschung, Praxis und Ausbildung der Hydrogeologie steht dabei im Zusammenhang mit der digitalen Transformation im Fokus. Im Rahmen eines laufenden Erasmus+ Kooperations-Projektes (iNUX - interactive understanding of groundwater hydrology and hydrogeology, www.gw-inux.org) wurde aus diesem Grund am Beispiel des Lehr- und Forschungsfeldes „Grundwasser“ an der TU Dresden eine digitale, interaktive Lern- und Forschungsplattform für ein besseres Verständnis des Themas Hydrogeologie entwickelt. Die aktuelle Arbeit fokussiert darauf, erfasste Monitoringdaten in (quasi) Echtzeit mit verschiedenen digitalen Werkzeugen interaktiv zu visualisieren, auszuwerten und zu modellieren .

Der Einsatz dieser Lern- und Forschungsplattform kann zukünftig dazu beitragen, die digitale Transformation in der Hydrogeologie durch Einbindung in Forschungsvorhaben zu fördern und zu beschleunigen, die Sichtbarkeit in der Öffentlichkeit zu verbessern und das Interesse potenzieller Studierender zu wecken.